1、 1 第十二单元 现代生物科技专题 第 1 讲 _基因工程 考纲导学 1.基因工程的诞生 ( ) 2基因工程的原理及技术 (含 PCR技术 )( ) 3基因工程的应用 ( ) 4.蛋白质工程 ( ) 知识梳理 | 夯实高考双基 回扣教材 一、基因工程的概念及优点 1 概念： 按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外 DNA 重组 和 转基因 等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的 生物类型和生物产品 。 2 优点 (1)与杂交育种相比：克服了 远缘杂交不亲和 的障碍。 (2)与诱变育种相比： 定向 改造生物的遗传性状。 二、基因工程的基本操作工具 1 限制性核酸内切酶
2、 “ 分子手术刀 ” (1)来源：主要是从 原核生物 中分离纯化出来的。 (2)特点：能够识别双链 DNA 分子的某种 特定核苷酸序列 ，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的 磷酸二酯键 断开。 (3)结果：产生 黏性末端 或 平末端 。 2 DNA 连接酶 “ 分子缝合针 ” (1)作用：将切下来的 DNA 片段 拼接成新的 DNA 分子。 (2)种类 Ecoli DNA连接酶：只能连接 黏性末端T4DNA连接酶：既能连接 黏性末端 又能连接平末端3 基因进入受体细胞的载体 “ 分子运输车 ” (1)种类： 质粒 、 噬菌体的衍生物、动植物病毒等。 2 (2)质粒特点 能 自我复制有一
3、个至多个 限制酶切割位点有特殊的 标记基因三、基因工程的操作程序 获取目的基因 基因表达载体 的构建 将目的基因导入 受体细胞 目的基因的 检测与鉴定四、基因工程的应用 1 植物基因工程： 主要用于提高农作物的 抗逆能力 。以及改良 农作物的品质 和利用植物 生产药物 等方面。 2 动物基因工程： 主要应用于动物品种改良、建立 生物反应器 、 器官移植等方面。 3 基因工程药物： 来源于转基因的 工程菌 。 4 基因治疗： 把 正常基因 导入病人体内，使该基因的 表达产物 发挥功能。 五、蛋白质工程 1 流程图 写出流程图中字母代表的含义： A 转录 ， B.翻译 ， C.分子设计 ， D.多
4、肽链 ， E.预期功能 。 2 结果： 改造 了现有蛋白质或制造出 新的蛋白质 。 3 应用： 主要集中应用于对 现有蛋白质 进行改造，改良生物性状。 网络记忆 3 重点突破 | 领悟高考方向 重点 1 基因工程的操作工具 典例导悟 1 下列有关基因工程和酶的相关叙述，正确的是 ( ) A同种限制酶既可以切割目的基因又可以切割质粒，因此不具备专一性 B载体的化学本质与载体蛋白相同 C限制酶不能切割烟草花叶病毒的核酸 D DNA 连接酶可催化脱氧核苷酸链间形成氢键 【解析】 一种限制酶只能识别 一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割 DNA 分子，因此具有专一性；载体有质粒、 噬菌体的衍生物
5、和动植物病毒等，成分为 DNA，载体蛋白的化学本质是蛋白质；烟草花叶病毒的核酸为 RNA，限制酶不能切割它； DNA连接酶可催化 DNA片段间磷酸二酯键的形成。 【答案】 C 考点精讲 1 与 DNA 分子相关的酶 (1)五种 DNA 相关酶的比较 作用底物 作用部位 形成产物 限制酶 DNA 分子 磷酸二酯键 黏性末端或平末端 DNA 连接酶 DNA 片段 磷酸二酯键 重组 DNA 分子 DNA 聚合酶 脱氧核苷酸 磷酸二酯 键 子代 DNA DNA 解旋酶 DNA 分子 碱基对间的氢键 形成脱氧核苷酸单链 DNA(水解 )酶 DNA 分子 磷酸二酯键 游离的脱氧核苷酸 (2)限制酶与 DN
6、A 连接酶的关系 限制酶和 DNA 连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。 限制酶不切割自身 DNA 的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。 限制酶是一类酶，而不是一种酶。 4 DNA 连接酶起作用时不需要模板。 2 载体的作用和条件 (1)作用 作为运载工具，将目 的基因转移到宿主细胞内。 利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。 (2)具备的条件 条件 适应性 稳定并能复制 目的基因稳定存在且数量可扩大 有一个至多个限制酶切割位点 可携带多个或多种外源基因 具有特殊的标记基因 便于重组 DNA 的鉴定和选择 命题视角 视角 基因工程操作工具的分析 1 (2016全国丙卷
7、)图 (a)中的三个 DNA 片段上依次表示出了 EcoR 、 BamH 和 Sau3A 三种限制性内切酶的识别序列与切割位点，图 (b)为某种表达载体的示意图 (载体上的 EcoR 、 Sau3A 的切点是唯一的 )。 图 (a) 图 (b) 根据基因工程的有关知识，回答下列问题： (1)经 BamH 酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被 _酶切后的产物连接，理由是 _ _。 (2)若某人利用图 (b)所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子，如图 (c)所示。这三种重组子中，不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有 _，不能表达的原因是 _ 5 _。 图 (c) (3)DNA
8、 连接酶是将两个 DNA 片段连接起来的酶 ，常见的有 _和_，其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是 _。 【解析】 (1)由题图可知， BamH 和 Sau3A 两种限制性内切酶的共同识别序列是 GATC CTAG ，二者切割可以形成相同的黏性末端，因此经 BamH 酶切得到的目的基因可以与图 (b)所示表达载体被 Sau3A 酶切后的产物连接。 (2)在基因表达载体中，启动子应位于目的基因的首端，终止子应位于目的基因的尾端，这样基因才能顺利地转录，再完成翻 译过程，即顺利表达。图中甲所示的目的基因插入在启动子的上游，丙所示目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录，因此目的基
9、因不能表达。 (3)常见的 DNA连接酶有 E.coliDNA连接酶和 T4DNA 连接酶，其中 T4DNA 连接酶既能连接黏性末端又能连接平末端。 【答案】 (1)Sau3A 两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端 (2)甲和丙 甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录 (其他合理答案可酌情给分 ) (3)E.coliDNA 连接酶 T4DNA 连接酶 T4DNA 连接酶 (其他合理答案可酌情给分 ) 重点 2 基因工程的操作过程及应用 典例导悟 2 为获得抗病的马铃薯，往往采用转基因技术，将相关抗病基因转移到马铃薯体内。其过程大致如下图所
10、示。下列相关叙述，正确的是 ( ) 6 A图中 过程涉及两种工具酶，目的基因插入的位置为 T DNA 所在的区段 B图中 过程，农杆菌需经镁离子溶液处理，处理后的细胞处于感受态 C图中 过程，所用培养基中应添加两种激素，添加顺序对细胞的分化方向 无影响 D检测相关抗病基因是否在受体细胞内转录，可采用抗原 抗体杂交法 【解析】 图中 过程，农杆菌需经钙离子溶液处理， B错误；植物组织培养所用激素的使用先后顺序及其比例都会影响细胞的分化方向， C 错误；检测相关基因是否在受体细胞内转录，可采用 DNA RNA杂交法，而抗原抗体杂交法检测的是目的基因是否翻译为蛋白质， D错误。 【答案】 A 考点精
11、讲 1 基因工程操作的基本步骤 (1)目的基因的获取 目前有两种途径：一是直接提取目的基因，如从基因文库中获取。二是人工合成目的基因，常用的方法有化学合成法和反 转录法。 (2)基因表达载体的构建 基因表达载体的组成 构建过程 7 (3)将目的基因导入受体细胞 细胞类型 常用方法 受体细胞 转化过程 植物 细胞 农杆菌 转化法 体细胞 将目的基因插入 Ti质粒的 T DNA上 转入农杆菌 导入植物细胞 整合到受体细胞的 DNA 上 动物 细胞 显微注 射技术 受精卵 将含有目的基因的表达载体提纯 取卵 获得受精卵 显微注射 早期胚胎培养 胚胎移植 发育成为具有新性状的动物 微生 物细 胞 Ca
12、2 处理 增大细胞 壁通透性 原核细 胞或酵 母菌 用 Ca2 处理细胞 感受态细胞 重组表达载体 DNA分子与感受态细胞混合 感受态细胞吸收 (4)目的基因的检测与鉴定 2 基因工程的应用 (1)抗虫棉的培育 目的基因： Bt 毒蛋白基因 (来自苏云金芽孢杆菌 )。 抗虫原理： Bt 毒蛋白水解成的多肽与肠上皮细胞受体结合，会导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解，最后造成害虫死亡 。 受体细胞 受精卵 正常发育体细胞 组织培养 方法：花粉管通道法 (也可用农杆菌转化法或基因枪法 )。 (2)动物反应器 目的基因：药用蛋白基因 表达条件：药用蛋白基因乳腺蛋白基因的启动子等 受体细胞 牛、羊的受精卵等
13、方法：显微注射法 8 种类：乳腺反应器和膀胱反应器。前者受动物性别 (只能是雌性 )和年龄 (哺乳期 )限制，优点是不用提取直接服用；后者需提取后服用，但不受动物性别和年龄的限制。 (3)工程菌 定义：用基因工程的方法 ，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。 外源基因：控制合成抗体、疫苗、激素等的基因。 受体细胞：微生物细胞。 特点：细菌内没有内质网、高尔基体等，产生的药物可能没有活性。 药物提取：从微生物细胞中提取。 (4)基因诊断与基因治疗 基因治疗 基因诊断 原理 基因重组及基因表达 DNA 分子杂交 方法 将正常基因导入有基因缺陷的细胞中，使该基因的表达产物发挥功能，以达到治疗的目的
14、 制作特定 DNA 探针与病人样品DNA 混合，分析杂交带情况 进展 临床实验 临床应用 命题视角 视角 基因工程的操 作程序与应用分析 2 (2016全国乙卷 )某一质粒载体如图所示，外源 DNA 插入到 Ampr 或 Tetr 中会导致相应的基因失活 (Ampr表示氨苄青霉素抗性基因， Tetr 表示四环素抗性基因 )。有人将此质粒载体用 BamH 酶切后，与用 BamH 酶切获得的目的基因混合，加入 DNA 连接酶进行连接反应，用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化，有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种，分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的
15、大肠杆菌。回答下列问题： (1)质粒载体作为基因工程的 工具，应具备的基本条件有 _(答出两点即可 )，而作为基因表达载体，除满足上述基本条件外，还需具有启动子和终止子。 (2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选，在上述四种大肠杆菌细胞中，9 未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的，其原因是_；并且 _和 _的细胞也是不能区分的，其原因是 _。在上述筛选的基础上，若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落，还需使用含有 _的固体 培养基。 (3)基因工程中，某些噬菌体经改造后可以作为载体，其 DNA 复制所需的原料来自于 _。 【解析】 (1)质粒作为载体，应具备的基本条件
16、有：有一个至多个限制酶切割位点，供外源 DNA 片段 (基因 )插入其中；在受体细胞中能自我复制，或能整合到染色体 DNA 上，随染色体 DNA 进行同步复制；有特殊的标记基因，供重组 DNA的鉴定和选择；等等。 (2)在培养基中加入氨苄青霉素进行筛选，其中未被转化的大肠杆菌和仅含环状目的基因的大肠杆菌，因不含氨苄青霉素抗性基因而都不能在此培养基上存活，二者不能区分。含有质粒 载体的大肠杆菌和含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌中都含有氨苄青霉素抗性基因，都能在此培养基上存活，二者也不能区分。若要将含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌进一步筛选出来，还需要使用含有四环素的固体培养基。 (3
17、)某些噬菌体经改造后作为载体，导入受体细胞后，其 DNA复制所需的原料来自于受体细胞。 【答案】 (1)能自我复制、具有标记基因 (答出两点即可 ) (2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒 (或答含有重组质粒 ) 二者均含有氨苄青霉素抗性基 因，在该培养基上均能生长 四环素 (3)受体细胞 心有灵犀 基因工程操作程序易错点 1基因表达载体 载体：基因表达载体与载体相比增加了目的基因。 2目的基因的插入位点不是随意的：基因表达需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入启动子与终止子之间的部位，若目的基因插入启动子内部，启动子将失去
18、原功能。 3启动子 起始密码子，终止子 终止密码子：启动子和终止子位于 DNA片段上，分别控制转录过程的启动和终止；起始密码子和终止密码子位于 mRNA上，分别控制翻译的启动和终止。 4切割目的基因和 载体并非只能用同一种限制酶。如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同时，在 DNA 连接酶的作用下目的基因与载体也可以10 连接起来。 重点 3 蛋白质工程 典例导悟 3 (2013广东高考 )从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽 P1。目前在 P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是 ( ) A合成编码目的肽的 DNA 片段 B构建含目的肽
19、 DNA 片段的表达载体 C依据 P1 氨基酸序列设计多条模拟肽 D筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽 【解析】 紧扣蛋白质工程的 流程 (基本途径 )进行分析。由题可知，多肽 P1为抗菌性和溶血性均较强的多肽，要设计出抗菌性强但溶血性弱的多肽，即在P1 的基础上设计出自然界原本不存在的蛋白质，用蛋白质工程技术可以实现。蛋白质工程的基本途径是：从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到相对应的脱氧核苷酸序列。故要想在 P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据 P1的氨基酸序列设计出多条模拟肽，然后进行改造，从而确定抗菌性强但溶血性弱的多肽的氨基酸序列。 【答案】 C 考点精讲 蛋白质工程与基因 工程的比较 项目 蛋白质工程 基因工程 区别 过程 预期的蛋白质功能 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序列 (基因 ) 获取目的基因 构建基因表达载体 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定 实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品
